将非对称内径车辆心轴连接至固定壳体和车轴组件的方法
【专利摘要】提供了一种用于连接非对称内径车辆心轴(18)至固定壳体(12)的方法。确定心轴的低和高应力区域，其中提供相应的减少和增加材料横截面，或者增加的横截面位于相对于心轴轴线的定向。因此，心轴的低和高应力区域与固定壳体的相应区域对齐。随后，心轴和固定壳体通过摩擦焊接的方式连接。这又带来了选择心轴至固定壳体的连接的截面模量，由此实现连接的最低重量与强度比。
【专利说明】将非对称内径车辆心轴连接至固定壳体和车轴组件的方法
[0001]相关申请
[0002]本申请根据35 U.S.C.§ 119(e)要求2012年4月5日提交的美国第61/620，506号临时专利申请的权益，其全文以参见的方式纳入本文。
【技术领域】
[0003]本发明涉及一种将车辆心轴连接到固定壳体上的方法。更具体地，本发明涉及一种将具有非对称内径的车辆心轴连接到固定壳体的方法。
【背景技术】
[0004]在车辆中，心轴是车轴组件的一部分，通常在车轴一端上，并能够支撑通过一对轴向布置的轴承而旋转地安装于其上的车轮。心轴在其外端包括圆柱部，其用作外轴承安装区域。心轴在外轴承安装区域内侧的部分通常设有截头圆锥外表面。
[0005]内轮轴承具有有内表面的内圈，其也可以是截头圆锥形状的，使得心轴外表面将用作内轴承安装区域。
[0006]标准心轴典型地由中空管坯而冷态形成或者作为锻件铸造而成，具有通常一致的外径和壁厚(参见，例如，Palovcik的美国4，417，462号专利)。当前的心轴典型地截面对称地旋转，这是由于在心轴附连中由于摩擦焊接造成的限制。
[0007]寻求降低连接至固定壳体的车辆心轴组件重量，从而通过可能地降低低应力区域的材料截面同时在较高应力区域保持增加的截面而节约这种组件的成本。在形成该组件的过程中，重要的是得到一截面模量，其选择组件的低的重量与强度比。
【发明内容】
[0008]用于将具有非对称内径的车辆心轴连接至固定壳体的方法包括，提供非对称内径车辆心轴，确定非对称内径车辆心轴的高应力区域和低应力区域，提供a)在低应力区域的减少材料截面以及在高应力区域的增加材料截面，或b)沿相对于心轴轴线的一个定向定位增加截面部分，提供固定壳体，将非对称内径车辆心轴的低应力区域和高应力区域与固定壳体的相应区域对齐，以及将非对称内径车辆心轴连接至固定壳体。
[0009]结果，截面模量被选择性地选择成用于a)提供非对称内径车辆心轴至固定壳体的连接，或者b)提供沿相对于心轴轴线的一定向中的增加截面的定位，因而实现用于将非对称内径车辆心轴连接至固定壳体的的最低重量与强度比。同样，提供了心轴的刚度，其可导致降低心轴的应力和疲劳。
[0010]本发明进一步的目的和优点将从下面的描述和所附权利要求中变得清晰，参考形成了说明书一部分的附图，其中，相似的附图标记表示多个视图中的相应部件。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]附图1是根据本发明的车轴组件的一侧的部分的立体图；
[0012]附图2是附图1的车轴组件的外侧端部的截面立体图；
[0013]附图3是现有技术的心轴的截面轴向视图；以及
[0014]附图4是依照本发明的心轴的截面轴向视图。
【具体实施方式】
[0015]应理解的是，本发明可设想多种替代定向和步骤次序，除非被明确有相反表达。还应理解的是，在附图中示出的以及在下面的描述中描述的特定装置和进程，仅是在所附权利要求中定义的发明概念的典型实施方式。因此，关于公开的实施方式的特定尺寸、方向或其它物理特性并不被认为是限制，除非权利要求另外陈述。
[0016]附图1示出了车轴组件10的一侧具有固定壳体12的部分，固定壳体12包括承载组件14和壳体臂16，壳体臂16在外侧端在其内具有心轴18 (见附图2)。差速器20 (隐藏)布置在承载组件14中。差速器20将旋转机械能分配给心轴18和车轮/制动鼓22 (见附图2)。心轴18可包括钢锻件或钢管。
[0017]附图1进一步示出了轮毂24、用于安装制动器28 (见附图2)的制动凸缘26，以及用于安装车轮/制动鼓22 (见附图2)的轮毂凸缘32。
[0018]之前的结构描述了车轴组件10的一侧，但是通常也适用具有相应壳体臂的另一侧(未示出)，其心轴和车轮/制动鼓也通过差速器22被提供旋转机械能。
[0019]附图2示出了附图1的部分车轴组件10的外侧端部的截面图。轮密封件34阻挡污垢和碎片进入轮毂24内，示出为布置在心轴18的内侧的外径(OD)和轮毂24的内侧的内径(ID)之间。
[0020]例如，心轴18通过摩擦焊接的方式在其内侧垂直表面36上附连至壳体臂16的相应垂直表面38上，因而形成了两个表面36、38的交界面42。
[0021]车轴44布置在壳体臂16中。轴44的内侧端部连接至差速器20。轴44的外侧端部延伸穿过心轴18。车轴凸缘46示出为布置在车轴44的外侧端部上。凸缘46使用机械紧固件48连接至轮毂24，使得车轴44的旋转匹配于轮毂24的旋转。未示出的是多个常规的轴承，其便于心轴18和车轮/制动鼓22的旋转运动。
[0022]对于常规心轴50，以厚度的单位、例如毫米和英尺的分数来测量的ID是对称的，类似附图3的现有技术示出的，其中厚度X = Y具有轴线A。然而，在本发明中，心轴18的ID具有例如附图4所示的非对称结构，其中厚度)T〈Y’具有轴线Y。然而，心轴18的OD，如附图4所示，围绕轴线A'保持恒定。
[0023]在本发明中，心轴18中的高和低应力区域通过车辆上的负载条件确定，其中高负载条件沿心轴18上的垂直方向存在。高负载条件由来自车辆的垂直、端部和侧面负载导致。随后，通过应用有限元分析(FEA)迭代法，来模拟沿着心轴18的负载变化，从而确定用于设计计算的选择性。
[0024]这一确定过程考虑了来自垂直方向、向前/向后方向、车辆制动和路缘负荷的负载路径的冲突需求，其导致了心轴的不一致形状来有效地处理全部需求。合成的应力可不跟随作为纯回转体的心轴18的形状，其产生了非对称心轴设计。考虑了车辆经历的这些负载来发展非对称构造，其带来了最低的应力与最高的心轴刚度组合。
[0025]结果，车轴44以变化的小齿轮角度在车辆中定向，来允许悬架设置和运行。换句话说，心轴18的定向在摩擦焊接至壳体臂16期间被调整，使得沿着心轴18的高负载/高应力区域与沿着心轴18的轴线A'增加的横截面对齐。因此，提供了最佳的定向来抵抗来自相应于该定向的悬架由于改变悬架角度、小齿轮角度和例如轮距跨度的可能其它输入而带来的负载。
[0026]在工具设计期间，进行锻模以在较高应力区域中提供增加的横截面/材料，同时较低应力区域制造得更薄。在锻模过程期间，摩擦焊接器能够在任何定向中对齐心轴且停止部件的旋转，其中它将在高应力区域中提供增加的横截面，也就是，与高应力区域“对齐”。
[0027]局部横截面增加的结果是，在心轴18的那个部分增加了刚度，并且截面模量被选择地从截面模量的范围中选择成降低心轴18中的应力。随后，心轴18被摩擦焊接至壳体臂16，因而将增加的横截面与较高应力区域对齐。本发明的一个发现是，只要它可被锻造，可由迭代过程确定的心轴的中空ID截面中的任何不平常形状对于承受不一致的负载都是可接受的。为了这一原因，较厚的截面例如可以是螺旋形的。
[0028]因此，附图4示出了心轴18的相应高和低应力区域，具有^ =12:00和6:00时钟以及t = 3:00和9:00时钟，在该位置例如，通过在锻造心轴18的反向挤出进程中改变打孔机的轮廓而减少材料。
[0029]描述ID和如何确定压力区域的公式来自于轴承力矩:
[0030]mBEG= 0.35 (GAffR) (SLR) -0.5 (GAffR) (x)，其中:
[0031]GAffR =总轴重等级，镑；
[0032]SLR =(轮胎)静态负载半径，英尺；以及
[0033]X =轮胎中心线到应力计算点的距离。
[0034]对于这些因素，压力测量为:
[0035]压力=mBKC+截面模量，截面模量=PI*((0D~4-1D~4)/64)/(0D/2)。
[0036]从这一公式，确定了最低重量与强度比，其通过比较测试结果与测试需求确定了期望寿命，其随后通过疲劳寿命证实。因此，在工具/打孔机设计中实现了 t与Y'之间的平顺过渡。
[0037]因此，通过使心轴18增加的横截面与高应力位置对齐来实现A'轴线的控制。同样，使摩擦焊接设备通过将高应力位置定位成与增加的横截面对齐而能够停止摩擦焊接过程。上文陈述的控制需要适当地正确控制摩擦焊接器。通过平衡摩擦焊接器，旋转焊接产生更好的产品。
[0038]因此，确定了非对称ID车辆心轴18的高和低应力区域，从而在那些低应力区域中提供了减少材料横截面(也就是t )，并且在那些高应力区域或增加的横截面中提供增加的横截面(也就是^ )，它们相对于心轴轴线A'以一定向定位。因此，心轴18的低和高应力区域与固定壳体16的相应区域对齐。
[0039]这允许心轴18具有较低重量且费用更低，同时保持了强大功能。轴18的低和高应力区域与固定壳体12的相应区域对齐，从而将非对称ID车辆心轴18连接至固定壳体12。已经发现了，上文陈述的结构/方法带来了(从其中一范围)选择非对称ID车辆心轴18至固定壳体12的连接的截面模量，由此实现用于非对称ID车辆心轴至固定壳体12的连接的最低重量与强度比。
[0040]依照专利法规的条款，这一发明的原则和操作模式已经在其优选实施方式中描述和示意。然而，必须理解的是，本发明可以除了特别解释和示出的之外的其它方式实施，而不偏离它的精神或范围。
【权利要求】
1.一种用于将车辆心轴连接至固定壳体的方法，包括: 提供非对称内径车辆心轴，包括以下步骤: 确定所述车辆心轴的所述非对称内径中的高应力区域和低应力区域； 提供所述车辆心轴的低应力区域中减少的材料横截面以及在所述车辆心轴的高应力区域中增加的材料横截面，或者在相对于心轴轴线的一定向中提供所述车辆心轴的增加的材料横截面， 提供固定壳体； 将所述非对称内径车辆心轴的所述低应力区域和高应力区域与所述固定壳体的相应区域对齐； 将所述非对称内径车辆心轴连接至所述固定壳体；以及 从截面模量的一范围中选择所述非对称内径车辆心轴至所述固定壳体的连接的截面模量，由此实现用于所述非对称内径车辆心轴至所述固定壳体的连接的最低重量与强度比。
2.如权利要求1所述的方法，其中，通过摩擦焊接的方式将所述非对称内径车辆心轴连接至所述固定壳体。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述车辆心轴包括钢锻件。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述车辆心轴包括钢管。
5.如权利要求1所述的方法，其中，确定应力区域包括确定轴承力矩mBK；，其等于0.35 (GAffR) (SLR) -0.5 (GAffR) (x)。
6.如权利要求1所述的方法，还包括:通过有限元分析确定最低重量与强度比。
7.如权利要求1所述的方法，还包括:在摩擦焊接至所述壳体臂期间将所述心轴定向成使得沿着所述心轴的高负载/高应力区域与沿着所述心轴增加的横截面对齐。
8.如权利要求1所述的方法，其中，提供了心轴的刚度，导致降低所述心轴的应力和疲劳。
9.如权利要求1所述的方法，还包括:将车轴布置在所述壳体臂中。
10.一种车轴组件，包括: 具有非对称内径的心轴，其中，所述心轴的减少材料横截面具有低应力，并且增加的材料横截面具有高应力，或者增加横截面沿着心轴轴线定向； 车轴，所述车轴可旋转地在内侧端连接至差速器并且在外侧端延伸穿过所述心轴；固定壳体，所述固定壳体具有与其附连的心轴，其中车辆心轴的所述非对称内径的所述低应力区域和高应力区域与所述固定壳体的相应区域对齐。
11.如权利要求10所述的车轴组件，其中，所述心轴的外径是对称的。
【文档编号】B60B35/08GK104520120SQ201380018239
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2013年4月5日 优先权日:2012年4月5日
【发明者】S·T·拜恩, G·D·彼德森 申请人:德纳重型车辆系统集团有限责任公司